來源 |十一號組織

知圈 | 進“底盤社群”請加微yanzhi-6,備注底盤

(資料圖片)

車聯網配置的普及，使得車端與云端的交互日益頻繁。車云通信協議作為車聯業務的底層，隨著接入車輛總數的不斷增長，設計時必須考慮健壯性和拓展性。

早期網聯應用較少，因此不少車廠采用基于TCP/IP的私有化協議。但隨著車聯網業務場景的快速演變，私有協議弊端也開始凸顯，例如：

（1）開發新車型或新控制器都需定制或適配協議棧，這會導致開發重點從業務轉移到通信中間件，增加了人力成本和測試復雜性；

（2）私有協議具有封閉性、排他性等特點，一般是為了某些早期的特定業務場景而設計，缺乏靈活性和擴展性；

（3）接入車輛數的增多，也更易碰到性能的瓶頸，消息可靠性亦無保障，對上層業務影響較大。

因而一個輕量化、高可靠、可拓展的物聯網協議是主機廠車云通信的不二選擇。本文主要通過比較常見的物聯網協議，并詳細闡釋MQTT協議在車云通信中的優勢。

請求響應模式

首先介紹請求響應模式的物聯網協議，即“一問一答”的形式，包括HTTP和CoAP。

一、HTTP

讀者最為熟悉的是HTTP，在早期也的確有不少設備采用基于REST風格的HTTP協議作為云端與設備端的應用層協議。其傳輸層采用TCP、網絡層采用IPv4/IPv6。

然而HTTP協議是無狀態、無連接的，一般由設備主動請求，云端難以主動向客戶端推送消息，不能滿足日益變化的車聯業務需求。對于本就珍貴的車端運算和存儲能力，HTTP較重的協議字段也增大了性能開銷。與此同時，HTTP協議采用的傳輸層協議TCP并不支持多播或者廣播，在數據分發上也具有瓶頸。

因此如果HTTP如承擔車云的通信協議，是存在短板的。

二、CoAP

CoAP（Constrained Application Protocol），即受限制的應用協議，協議小巧，協議字段可選，數據包最小僅4字節。對于那些算力和內存小的設備，或現有Web服務器架構的設備，CoAP協議是一個更好的解決方案。

同為請求響應工作模式，CoAP保留了HTTP快速開發的特點，并減小了網絡開銷，實現了收發數據異步，提高了設備的響應速度。CoAP可與HTTP兼容，請求方法類似，包括了GET、POST、PUT、DELETE。

基于REST風格設計，相較于HTTP協議，傳輸層從TCP變為了UDP、網絡層為6LowPAN（基于IPv6的低速無線個域網標準，即IPv6 over IEEE 802.15.4）。由于UDP允許廣播和多播，CoAP協議降低了分發數據的帶寬要求。但CoAP局限應用于局域網中，限制了其在車聯網的應用。

發布訂閱模式

物聯網不少協議的設計模式為發布訂閱模式，當前物聯網云平臺主流使用的發布訂閱模式協議為DDS和MQTT。

一、DDS

DDS(Data Distribution Service for Real-Time Systems)，為新一代分布式實時通信中間件協議，用于節點之間發送和接收數據、事件和命令。分發百萬條消息的性能達到秒級。DDS采用無代理的發布/訂閱體系架構，實現了以數據為中心的數據共享，提供多達22種QoS（Quality of Service，服務質量）策略，以保障數據進行實時、高效、靈活地分發，可滿足各種分布式實時通信應用需求。這也是它適用于國防軍事、工業控制這些高可靠性、可安全性應用領域的原因。

DDS的特性源于其底層實現了一個抽象的全局數據空間域，如下圖所示，DDS的基本架構由域構成，域將各應用組合在一起進行通信。域是一個范圍概念，由域ID唯一標識，只有在同一個域內的通信實體才能通信。域參與者作為數據分發服務的入口，包含若干個發布者，訂閱者和主題，負責創建，刪除，管理這些實體。

目前DDS的實施主要通過有線網絡。如車端在車載以太通過網DDS中間件實現SOA架構，可應用于智駕領域，以滿足其高響應，強實時的要求。然而大部分車聯業務，如FOTA，藍牙鑰匙、遠程控制，對車云通信的實時性要求并不高，綜合實施成本和實現方式考慮，DDS協議的輕量級和開發成本不如MQTT。

二 MQTT

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸）協議是一種基于TCP/IP，采用發布訂閱模式的輕量級物聯網通信協議。MQTT協議通過代理（Broker）服務器實現數據的交互，是輕量、簡單、開放和易開發的。這些特點使它成為互聯網設備之間的通信的首選，實現了低帶寬下與云端的數據傳輸。應用領域除車聯網通信之外，還包括了物聯網大數據采集、消息推送、智能家電等。源代碼的開放進一步推動了MQTT的發展。

MQTT協議能適應針對低帶寬網絡，低計算能力的設備應用場景，主要設計特點如下。

（1）發布訂閱模式方便車云的交互，數據通過Topic發布，支持多對多的通信；

（2）協議報文結構緊湊，性能開銷小，負載的格式靈活，能有效減少車端的網絡流量；

（3）提供三個可選的 QoS 等級，分別是“至多一次”，“至少—次”，“只有一次”。實際開發過程中，消息可以在用戶定義的任何 QoS等級被發送出去，并且客戶端也可訂閱任何 QoS等級的主題?？蛻舳藭x擇最高的QoS等級進行消息的發布和訂閱，根據業務要求調整消息的服務質量，適應車端不同的網絡環境；

（4）由于MQTT可適應不可靠網絡的場景，通過遺囑消息提供在線狀態感知與會話保持能力，用來告知其他客戶端本客戶端的網絡已經異常斷開。在設備與服務端連接時，通過CONNECT報文指定，當出現socket異常斷開或者?；畛瑫r時，服務端應當立即發布遺囑消息，以確保盡快通知訂閱者。

Mosquito是一款實現了MQTT的開源軟件，開發人員可以利用 Mosquitto提供的API進行應用程序的開發。Mosquitto同時為MQTT實現了諸如SSL/TLS安全、線程管理等功能。

比較與總結

最后我們對比上文所述的多種通信協議，如下表所示。在車聯網場景中，MQTT能夠以最小的網絡開銷，勝任未來海量車端設備的靈活、快速、安全接入，并保證復雜網絡環境下消息實時性、可靠性。

關鍵詞： 通信協議 實時通信 應用領域